CN109127641A - 一种橡胶硫化废气高效收集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种橡胶硫化废气高效收集方法，其特征在于，所述收集方法将系统收集风量最小化，提高硫化废气的收集浓度，每台硫化机设置一个排风罩，单台排风量按需开启，所述收集方法包括确定单台硫化机所需最小排风量的步骤；确定生产线硫化机总数量最大排风重叠率的步骤：确定生产线上的硫化机总数量的同时系数，所述同时系数即为最大排风重叠率；则该条生产线集中收集系统排风量等于单台硫化机所需最小排风量与最大排风重叠率的乘积。本方法在时间上减少局部排风量，便于实现对污染物进行小风量浓缩收集，以单台硫化设备通风设计、多台硫化设备重叠率为基础，摒弃原有超大风量高能耗通风模式，大幅降低系统设计风量与后续环保净化设备容量。

Description

一种橡胶硫化废气高效收集方法

技术领域

本发明涉及橡胶硫化机废气收集领域，尤其涉及一种橡胶硫化废气高效收集方法。

背景技术

轮胎制造行业污染源包括橡胶加工过程的VOCs气体与生活生产废水等，其中橡胶VOCs气体因其特殊的气味，使其成为轮胎企业最突出且敏感的环境问题。橡胶VOCs气体主要分为硫化废气、炼胶废气等，其中硫化废气是指在硫化机开模及轮胎出模定型或停留在输送带时，高温轮胎表面挥发出的有机废气。该种废气含有上百种组分，且溢散规律复杂，其具有收集效率低、收集风量大的特点，是长期困扰轮胎加工行业的环保难题。

轮胎加工业上常采用全面通风系统或局部通风系统进行捕集和排放。全面通风系统不仅通风量大、排放浓度低，且VOCs在整个车间混合，造成工作区间VOCs浓度较高，影响工人健康；采用局部通风系统时，每个散发源设置排风机，设备的初始投资大，运行及管理费用高。

《橡胶工厂环境保护设计规范》（GB50469-2016）提出，必须对车间污染进行有组织收集后处理排放；《橡胶制品工业污染物排放标准》(GB27632—2011)将非甲烷总烃的排放标准由原来120mg/m³提高到10mg/m³，并提出基准排放量2000m³/t胶的要求，即单位质量橡胶制品的最大排风量要求；部分地区提出收集效率90%、处理效率90%的标准；另外，受工业污染长期暴露人员的致病风险很高；空气污染引发的安全事件也层数不穷；与此同时，我国工业能耗占全社会总能耗近70%，其中工业通风及净化能耗可达25%，成为部分工厂生产的关键成本，使诸多制造业主不堪重负。

发明内容

本发明的目的是针对上述情况，提供一种橡胶硫化废气高效收集方法，这种方法收集效率高、风量低，解决了轮胎行业硫化废气收集风量大、收集效率低的难题。

实现本发明目的的技术方案如下：

一种橡胶硫化废气高效收集方法，所述收集方法将系统收集风量最小化，提高硫化废气的收集浓度，每台硫化机设置一个排风罩，单台排风量按需开启，所述收集方法包括

确定单台硫化机所需最小排风量的步骤：对单台硫化机采用CFD（ComputationalFluid Dynamics，计算流体动力学，简称CFD）进行硫化废气排风罩工作过程模拟分析，对不同的排风量下排风罩对废气污染物的收集率进行分析，从而确定最小排风量；

确定生产线硫化机总数量最大排风重叠率的步骤：确定生产线上的硫化机总数量的同时系数，所述同时系数即为最大排风重叠率；

则该条生产线集中收集系统排风量等于单台硫化机所需最小排风量与最大排风重叠率的乘积。

确定单台硫化机所需最小排风量的步骤中，单台硫化机所需最小排风量为5000m³/h-7000 m³/h，与硫化机联动排风时间为6-9min。

优选的单台硫化机所需最小排风量为6000m³/h，与硫化机联动排风时间为8min。

测试废气收集排风罩的收集率包括以下步骤：

硫化机污染物的散发强度由公式（1）计算：

（1）

式中，E _m 为所求轮胎污染物单位时间散发量，单位mg/s；C _m 为试验测得废气污染物的浓度值，单位mg/m³；G为风机排风量，单位m³/h；

排风罩对污染物单位时间收集量由公式（2）计算：

（2）

式中，E _c为所求轮胎污染物单位时间收集量，单位mg/s；C _c为试验测得废气污染物的浓度值，单位mg/m³；G为风机排风量，单位m³/h；

硫化废气包含的污染物总质量和排风罩收集的污染物的总质量由按散发时间以及收集时间积分即可得到：

（3）

（4）

由以上所测轮胎散发总量和排风罩收集总量，排风罩收集率由式（5）计算： （5）

式中，为排风罩收集率；为轮胎污染物收集量，单位mg；为轮胎污染物散发量，单位mg。

根据本收集方法，在时间上减少局部排风量，便于实现对污染物进行小风量浓缩收集，以单台硫化设备通风设计、多台硫化设备重叠率为基础，摒弃原有超大风量高能耗通风模式，采用精细化集中排风系统，即每台设备设置一个排风罩，单台排风量按需开启，并与硫化设备工艺控制联动，精细化集中收集废气污染物；集中排风系统风量根据单台硫化机排风量与设备最大运行重叠率（同时系数）的乘积进行设计，从而大幅降低系统设计风量与后续环保净化设备容量。

本发明的优点或效果：

（1）CFD计算结果与试验测试结果有较好的一致性，即CFD计算方法正确，可采用CFD进行硫化废气排风罩工作过程模拟分析；

（2）通过CFD及试验测试结果证明，本方法排风罩在排风量为6000m³/h时，可较好的收集硫化过程中散发的废气；

（3）在整个硫化线的废气污染收集过程中，本方法提出的集中收集系统根据硫化生产线硫化废气的污染散发规律，将系统收集风量最小化，提高收集浓度，进一步降低污染净化设备的初投资后运行费用。

附图说明

图1为实施例中排风罩结构示意图；

图2-1为风量为2000 m³/h时工况浓度切片图；

图2-2为风量为4000 m³/h时工况浓度切片图；

图2-3为风量为6000 m³/h时工况浓度切片图；

图2-4为风量为8000 m³/h时工况浓度切片图；

图3为不同排风量时对应污染物稳态收集率图；

图4为硫化机污染散发强度测试试验台示意图；

图5为硫化废气污染散发强度图；

图6为不同排风量下的排风罩的累积收集率图；

图7为排风罩试验和CFD计算累积收集率对比图；

图8为不同排风量时对应污染物累积收集率图；

图9为顶吸罩、侧吸罩对应稳态收集率图；

图10为顶吸罩、侧吸罩分时控制示意图；

图11为单台硫化设备散发周期内的PM2.5散发强度及累计散发率图；

图12为某硫化设备污染散发测试结果及不同排风量下的累计捕集效率图；

图13为排风罩同时开启台数比率图；

图14为设计开启台数的不保证率图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例：

一种橡胶硫化废气高效收集方法，所述收集方法将系统收集风量最小化，提高硫化废气的收集浓度，每台硫化机设置一个排风罩，单台排风量按需开启，所述收集方法包括

确定单台硫化机所需最小排风量的步骤：对单台硫化机采用CFD（ComputationalFluid Dynamics，计算流体动力学，简称CFD）进行硫化废气排风罩工作过程模拟分析，对不同的排风量下排风罩对废气污染物的收集率进行分析，从而确定最小排风量；

确定生产线硫化机总数量最大排风重叠率的步骤：确定生产线上的硫化机总数量的同时系数，所述同时系数即为最大排风重叠率；

则该条生产线集中收集系统排风量等于单台硫化机所需最小排风量与最大排风重叠率的乘积。

确定单台硫化机所需最小排风量的步骤中，轮胎硫化废气溢散发生节点主要包括硫化机开模瞬间以及开模后轮胎定型或在胎挡斜坡停留两部分。依据上述特征，将把排风罩设计为顶吸罩加侧吸罩的组合形式，如图1所示：一部分为顶吸罩4，主要为应对硫化机开模瞬间的废气；一部分为侧吸罩6，主要应对轮胎定型或后冷却过程中散发的废气。对于整台硫化机，仅留出工人操作区域5和轮胎输出面。顶吸罩4和侧吸罩6的设计都以不影响硫化机的正常操作为前提，尽量靠近并围住硫化机。该排风罩还包括主风管1、侧吸罩支风管2和顶吸罩支风管3，箭头为排风方向。

结合现场调研、测试所得工况条件，采用CFD流体计算进行硫化废气排风罩工作过程模拟分析，选择最不利工况进行分析（即硫化机位置和轮轨区位置同时有废气散发的稳态工况下），分析单台硫化机废气收集排风罩排风量分别为2000 m³/h，4000 m³/h，6000 m³/h，8000 m³/h时所对应的废气收集效率。

如图2-1至图2-4不同风量工况浓度切片图所示，随着风量的增大，污染物向风罩内聚拢，不再扩散；当排风量增加到6000m³/h时，污染物不再外逸，即可认为当单台硫化机废气收集罩排风量达到该数值时，硫化废气收集效率可达到90%甚至更高。

通过上述模拟分析中，我们还发现当排风量超过6000 m3/h时，随着排风量的增大，污染物收集率上升幅度变小。如图3所示，当排风量为6000 m3/h时，废气收集效率为96.5%，收集率上升幅度为6.5%；而当风量当排风量为8000 m3/h时，废气收集效率为99.9%，但收集率上升幅度为6.5%。因此，工程上，靠无限的增大风量来获得100%的污染物是不合理的。

对硫化机污染散发强度的测试：

为了确保研究的准确性，实地搭建单台硫化机废气排风罩试验台，用于测试单台设备的污染散发特性，及排风罩对污染废气的收集效果，以验证前述模拟结果的正确性。

试验中，仅分析废气收集排风罩的应用效果，无需研究每一项污染物的具体散发量，故测试时仅选取其中一种污染物作为代表型污染物即可。Kim和Lee（参考文献：Kim B,Lee J S, Choi B S, et al. Ultrafine particle characteristics in a rubbermanufacturing factory[J]. Annals of Occupational Hygiene, 2013, 57(6):728-739）对橡胶硫化过程散发废气中的颗粒物进行详细的分析和测试，证明PM2.5为硫化废气中的主要污染物之一，同时由于PM2.5和气态污染物一起散发；PM2.5等细颗粒跟随性等同于气态污染物，能表征污染散发总体特征。因此，本测试中选取PM2.5作为实验测试的代表性污染物。

图4所示为硫化废气污染散发强度测试试验台，其中包括内部硫化机7、压力表8、排风机9、浓度监测仪10、送风机11、浓度采样点12和采样口13。

（1）污染物散发特性测试原理：当污染散发源处于封闭空间内，且只有一个进口、一个出口时，对封闭空间进行一定换气次数的机械通风，可认为散发的污染物全部经由排风口排出，此时排风口排放的污染物总量即是轮胎散发污染物总量。由于排风机风量较大，可认为轮胎废气到达排风管采样处时已经充分混合。

（2）排风罩收集率测试原理：排风罩收集率为间接测量结果；采用间接测量得出。试验首先测得单台轮胎污染物散发总量，然后测得排风罩对污染物的收集量，以收集量除以散发量即得排风罩的收集效率。同理，可认为废气到达排风管采样处已充分混合，则收集量可由排风量和排放浓度计算而得，具体计算过程如下：

硫化机污染物的散发强度由公式（1）计算：

（1）

式中，E _m 为所求轮胎污染物单位时间散发量，单位mg/s；C _m 为试验测得废气污染物的浓度值，单位mg/m³；G为风机排风量，单位m³/h；

排风罩对污染物单位时间收集量由公式（2）计算：

（2）

式中，E _c为所求轮胎污染物单位时间收集量，单位mg/s；C _c为试验测得废气污染物的浓度值，单位mg/m³；G为风机排风量，单位m³/h；

硫化废气包含的污染物总质量和排风罩收集的污染物的总质量由按散发时间以及收集时间积分即可得到：

（3）

（4）

由以上所测轮胎散发总量和排风罩收集总量，排风罩收集率由式（5）计算： （5）

式中，为排风罩收集率；为轮胎污染物收集量，单位mg；为轮胎污染物散发量，单位mg。

硫化废气污染散发强度测试结果：

图5显示为实验所测污染物散发强度和累计散发量，并且给出了三组重复性试验的标准差，可以看出实验的重复性和一致性较好。散发强度曲线（黑色）显示：轮胎污染物散发量随时间呈衰减趋势；在0～50 s内维持在一个较高值，最大值可达25mg/s；50s以后，散发强度下降曲线变陡；150s以后，散发强度曲线又逐渐变缓；直到约480s即8min后，污染物散发强度接近为0。累计散发率曲线（灰色弧线）显示：在开模4 min内，轮胎累计散发率为73%，6min内散发87%，8min内散发92%。轮胎散发废气集中在前4min，随后4～6min的时间内散发量为14%，6～8 min内散发量仅为5%。

上述结果显示，在轮胎硫化出模后废气排放的一个周期内，污染物散发并非持续且大浓度，而是呈现间歇、周期性的规律。因此，后续排风罩的设计应结合此规律进行优化，把风量最小化。

排风罩收集率测试结果：

不同排风量下的排风罩的累积收集率所示如图6，结果表明，随着排风风量的增大，收集效率增大，当排风量为6080m³/h时，收集率可达到97%；随着时间的推移，排风罩的累计收集率逐渐增大，在前期增长速度快（污染散发速度快），后期增长速度慢（污染少量散或停止散发）。其中，后期收集的一部分是前期聚集在集烟腔内部的废气。

排风罩收集率试验与模拟结果对比：

为验证模拟效果的可靠性，把污染散发强度的测试结果作为CFD的边界条件，用前述模型做非稳态计算。图7为模拟计算和实验测试的排风罩收集率结果：排风量为6000m³/h，从图中可以看出，在相同的排风量下，CFD计算与试验测试结果较吻合，即说明数值计算结果可靠。

排风罩运行策略分析：

确定排风罩的最小排风量，仅仅凭稳态收集率进行分析是不够的，需结合污染散发规律，设备工艺过程等信息后综合确定。由于前述论证了数值计算的准确性，后续优化分析均采用数值计算方法。主要包括收集时间和分时控制两方面内容，以确定最优的排风罩运行策略。

总排风量优化分析：

图8为排风量分别为5000 m³/h、6000 m³/h、7000 m³/h时，在不同时刻下排风罩对污染物的累计收集率。测试结果表明，排风量为6000m³/h、排风时间到8min时，累计收集率为91%；排风量为7000m³/h，排风时间到7min时，累计收集率为92%。考虑到排风罩开启与硫化机的联动滞后影响，排风时间选择8min；再考虑排风罩的集烟储烟效应，并且尽可能增大排风中的污染物浓度，排风量设计为6000 m³/h。

排风罩分时排风控制策略分析：

在硫化的工艺过程中，开模后约40s轮胎从硫化机胎模内转移到轮轨区上，实际上污染散发是在两个不同的位置上顺次发生的，这也是排风罩设计为顶吸罩和侧吸罩两部分的原因。本节提出顶吸罩和侧吸罩进行分时段排风控制，利用顶吸罩收集胎膜内的废气，利用侧吸罩收集轮轨区的废气。

同样采用CFD计算方法，CFD的设置为硫化机部位散发污染物时，顶吸罩排风；轮轨区部位散发污染物时，侧吸罩排风。图9为不同排风量下的污染物稳态收集率，结果表明，无论是顶吸罩或者侧吸罩，随着风量的增大，收集率增大，且收集率上升幅度逐渐减小。在相同排风量的情况下，顶吸罩的收集率低于侧吸罩，主要原因是顶吸罩离轮胎表面位置较高。当排风量达到4000m³/h时，顶吸罩和侧吸罩对相应部位污染物的收集率都可达99%。因此，假设顶吸罩和侧吸罩顺次分时排风，则单台硫化机排风量可设计为4000m³/h，大幅度减小风量并增大污染物浓度。

排风罩的分时排风可采用图10所示控制方法：在顶吸罩支管3和侧吸罩支管2上各装一个风阀；两个风阀联动控制，不同时开启，根据污染散发的时间特点设置开启规则；排风罩总排风量为4000m³/h，风机定风量运行。

因此，单台硫化机所需最小排风量为5000m³/h-7000 m³/h，与硫化机联动排风时间为6-9min。

优选的单台硫化机所需最小排风量为6000m³/h，与硫化机联动排风时间为8min；采用设有顶吸罩和侧吸罩的排气罩，则所需最小排风量为4000m³/h，与硫化机联动排风时间为8min。

图11所示为某厂硫化车间单台硫化设备散发周期内的PM2.5散发强度及累计散发率，以此实时散发率测试结果为基础，利用CFD数值计算方法进行捕集率计算分析。如图12，搜索测试排风量Q1＜Q2＜Q3，由于排风量的增加，累计捕集率逐渐增大，但当排风量从Q2增大到Q3时，捕集率变化已非常微小，此时不宜再通过无限增加风量提高捕集率。从排风时间上看，排风前期，捕集率上升较快，后期捕集率趋于平缓。综上，根据污染间歇散发的特点，选择适当的排风量以及排风时间，实现将热和污染部分分离，以减弱处理排放的高环保成本、高运行能耗的问题。

上述对单台硫化机废气污染物的收集作了完整的阐述，但是整个通风系统的设计应同时考虑整个车间的能耗和效果。根据前述污染物散发强度测试结果，单台硫化机污染物散发是间隙、不连续的。所以，此系统设计的关键是：如何用最少的系统，让各排风罩只在轮胎废气散发期间收集废气，保证按需排放。

可以与本方法配套使用的排风设备为公开号CN105180339A名称“多点源散发污染物高效捕集与集中排放系统”所提供的系统。

集中收集系统设计有两个优势：一是一条硫化线仅用一台风机，便于后续废气处理设备安装及运行；二是风机可变频运行，风量为实时所需排风量，进一步减少系统风量。

在确定生产线硫化机总数量最大排风重叠率的步骤中，确定生产线上的硫化机总数量的同时系数采用公开号CN108614920A名称为“一种多台设备局部排风同时系数确定方法”提供的方法来确定，同时系数即为最大排风重叠率。

为了确定集中收集系统的设计风量，采用概率分析的方法进行确定。图13表示14台硫化机随机运行情况下，单台排风时间为8min、7min、6min、5min时风罩开启台数所占的时间比率。结果显示，排风时间为8min和5min时，开启台数没有明显的峰值；排风时间为7min和6min时，开启台数为7台和6台所占的时间比率最大。

从图中可以看出，不同排风时间下，开启数量都集中在某一个数或几个数；且随着排风时间的减少，各曲线往左移，即说明同时开启数量逐渐变少。

通过以上的计算分析，应以同时最大开启台数指导集中收集系统风量的设计，即系统的设计风量=单条支路所需风量×同时最大开启支路数量。

图14表示14台硫化机的集中收集系统，选择不同排风时间时，各设计台数对应的不保证率。同样以5%为不满足率。若排风时间选为8min，设计数量选为10，此时不保证率为3.34%；若排风时间选为7min，设计数量选为9，此时不保证率为3.88%。从图中可以明显看出，排风时间越少，曲线往左移，即同样的不保证率下，设计数量越少。

为便于工程实施，根据前述单体排风罩设计结果，不采用分时控制方法，针对一条线14台硫化机，排风时间设计为8min，此时系统设计风量为6000 m³/h×10=60000 m³/h。

为进一步降低污染收集风量，提高收集效率，本方法提出按需收集的设计原则，污染散发开始即开启排风，污染散发结束即停止排风。进而提出一种集中收集系统，以单台硫化设备通风设计、多台硫化设备重叠率为基础，摒弃原有超大风量高能耗通风模式，采用精细化集中排风系统，即每台设备设置一个排风罩，单台排风量按需开启，并与硫化设备工艺控制联动，精细化集中收集废气污染物；集中排风系统风量根据单台需风量与设备最大运行重叠率（同时系数）的乘积进行设计，从而大幅降低系统设计风量与后续环保净化设备容量。

Claims (5)

1.一种橡胶硫化废气高效收集方法，其特征在于，所述收集方法将系统收集风量最小化，提高硫化废气的收集浓度，每台硫化机设置一个排风罩，单台排风量按需开启，所述收集方法包括

确定单台硫化机所需最小排风量的步骤：对单台硫化机采用CFD（ComputationalFluid Dynamics，计算流体动力学，简称CFD）进行硫化废气排风罩工作过程模拟分析，对不同的排风量下排风罩对废气污染物的收集率进行分析，从而确定最小排风量；

确定生产线硫化机总数量最大排风重叠率的步骤：确定生产线上的硫化机总数量的同时系数，所述同时系数即为最大排风重叠率；

则该条生产线集中收集系统排风量等于单台硫化机所需最小排风量与最大排风重叠率的乘积。

2.根据权利要求1所述的橡胶硫化废气高效收集方法，其特征在于，确定单台硫化机所需最小排风量的步骤中，单台硫化机所需最小排风量为5000m³/h-7000 m³/h，与硫化机联动排风时间为6-9min。

3.根据权利要求1所述的橡胶硫化废气高效收集方法，其特征在于，确定单台硫化机所需最小排风量的步骤中，单台硫化机所需最小排风量为6000m³/h，与硫化机联动排风时间为8min。

4.根据权利要求1所述的橡胶硫化废气高效收集方法，其特征在于，确定单台硫化机所需最小排风量的步骤中，采用设有顶吸罩和侧吸罩的排气罩，单台硫化机所需最小排风量为4000m³/h，与硫化机联动排风时间为8min。

5.根据权利要求1所述的橡胶硫化废气高效收集方法，其特征在于，测试废气收集排风罩的收集率包括以下步骤：

硫化机污染物的散发强度由公式（1）计算：

（1）

式中，E _m 为所求轮胎污染物单位时间散发量，单位mg/s；C _m 为试验测得废气污染物的浓度值，单位mg/m³；G为风机排风量，单位m³/h；

排风罩对污染物单位时间收集量由公式（2）计算：

（2）

式中，E _c为所求轮胎污染物单位时间收集量，单位mg/s；C _c为试验测得废气污染物的浓度值，单位mg/m³；G为风机排风量，单位m³/h；

硫化废气包含的污染物总质量和排风罩收集的污染物的总质量由按散发时间以及收集时间积分即可得到：

（3）

（4）

由以上所测轮胎散发总量和排风罩收集总量，排风罩收集率由式（5）计算： （5）

式中，为排风罩收集率；为轮胎污染物收集量，单位mg；为轮胎污染物散发量，单位mg。